孟祥海　陈征　邹明华　杨万有　蓝飞　詹敏

摘      要：渤海油田普遍采用大段充填防砂完井，为了进一步提高注水效果，需要把大段防砂段的充填带进行封隔，进一步细分层系，便于实施精细分层注水。采用化学封隔堵剂是比较可行的、成本较低的方法，为此从强度和触变特性出发，筛选了3种较为主流的化学封隔堵剂进行对比分析，并通过实验验证，环空化学封隔器比较适合渤海油田的完井方式。从温度、矿化度、剪切速率、强度4个因素考虑，对筛选出的环空化学封隔器进行了进一步的考察。结果表明：环空化学封隔器在60～110 ℃均可固化，固化时间在2 h以上，其固化特点基本不受矿化度的影响，且其具有良好的抗剪切能力，通过模拟实验，其强度可达4 MPa·m^-1，符合渤海油田的使用条件。

关  键  词：渤海油田;充填带;封隔堵剂;筛选;实验

中图分类号：TQ 016       文献标识码： A      文章编号： 1671-0460（2020）06-1211-05

Selection and Preliminary Test for Blocking Agent at the Sand Control Section

MENG Xiang-hai¹， CHEN Zheng¹， ZOU Ming-hua²， YANG Wan-you²， LAN Fei¹， ZHAN Min²

（1. CNOOC （China） Co.， Ltd.， Tianjin Branch， Tianjin 300459， China;

2. CNOOC EnerTech-Drilling & Production Company， Tianjin 300452， China）

Abstract： Long packed section for well completion is widely used in Bohai oilfield. To improve the water injection effect， it is necessary to isolate the long packed section， so as to do the separate minelayer injection. The chemical blocking agent is a viable method to solve the problem with low cost. In this paper， based on strength and thixotropy， 3 main kinds of blocking agents were compared and screened out. Annular chemical packer was chosen for the well completion mode through the test. From four aspects of temperature， mineralization， shear rate and strength， the screened annulus chemical packer was further investigated. The results showed that the annular chemical packer could solidify between 60 ℃ to 110 ℃， and the solidifying time was more than 2 h. The solidifying capacity was not affected by the salinity， and it had well shear resistance. The strength reached 4 MPa·m^-1 in the simulation test. So the annular chemical packer is suitable for the service condition of Bohai oilfield.

Key words： Bohai oilfield; Packed section; Blocking agent; Selection; Test

渤海油田以注水開发为主，油气产量自2010年开始已经连续8年稳产3 000万t，注水开发已成为渤海油田稳产的基石。当前，渤海油田部分老油田处于中高含水期，比如绥中36-1油田，是渤海油田油气产量大户，而其含水已经接近80%。为此，渤海油田于2018年提出了“注水年”的开发策略，不仅“注好水、注够水”，还要“精细注水”^[1-3]。

渤海油田属于疏松砂岩油藏，采取大段防砂、笼统开采的开发模式，层间差异较大，防砂段内存在若干小层，大段分层注水效果越来越差，为此需要对小层进一步细分进行配注，这是解决非均质性油藏层间矛盾的最有效手段^[4]。要进一步细分层系，需要在已有的防砂完井基础上，在隔夹层的对应的位置也即是筛管与套管的环空进一步封隔。重新防砂进行封隔小层的方法成本高，施工风险多，而通过在筛管与套管的环空采取化学药剂封堵也是可行的^[5]，即在原有防砂完井的基础上，通过注入化学堵剂，将化学堵剂固化在防砂管柱与套管之间，且化学堵剂的深度与隔夹层的位置形成对应，这样后续可以再进一步进行分层注水作业，为此本文对几种化学封隔堵剂进行了筛选，并对筛选出的化学封隔堵剂进行了相关实验评价。

1  封隔堵剂的适用性分析

渤海油田典型的完井防砂图如图1所示（除堵剂外），假设分为3个防砂段，第二防砂段存在隔夹层，这样在实施注水作业时，最多只能分3段注入。为了精细注水，可以在隔夹层的位置置入化学堵剂，当化学堵剂固化后，人为形成4个防砂段，这样可以分4大段实施分层注水

结合渤海油田的实际情况，对化学堵剂提出几条基本要求以便进行初步筛选与评价：①强度，渤海油田一般层间压差小于4 MPa，假设堵剂长度与单根筛选相当（约10 m），则要求堵剂强度为0.4 MPa·m^-1;②触变性，渤海油田绝大部分为定向井，井斜在30°～60°，良好的触变特性能有效避免堵剂在泵注结束后向筛管内回流，使充填更加有效;③抗剪切能力，尤其是堵剂经过筛管的缝隙为高强度剪切;④抗温性，渤海油田注水井的温度一般在60～90 ℃，堵剂需要满足此温度下的使用条件;⑤耐盐性，渤海油田地层水矿化度一般在6 000～12 000 mg·L^-1，堵剂需要满足此矿化度下的使用条件。

2  封隔堵剂的筛选

由于封隔堵剂的核心性能要求为强度及触变特性，这两项指标一般后期难以大幅度改善，为此先从这两个性能指标较好的堵剂中进行筛选，然后再进行其他性能的评价。根据国内外的研究及应用情况^[6-9]，依据强度，选择了炮眼封堵树脂及环空化学封隔器材料，依照触变特性选择了触变水泥及环空化学封隔器，主要性能参数如表1。

2.1  固化性能对比

主要对比了油藏条件下，与陶粒混合后的固化性能。

20～40目陶粒（0.45～0.90 mm）水洗后，分别将堵剂（封堵树脂、环空化学封隔器）与陶粒混合（体积比1∶1），70 ℃下固化后观察。环空化学封隔器能与陶粒很好的固化在一起，而树脂虽然强度较高，但黏度低，结合能力弱，树脂与陶粒易分离，见图2左边玻璃瓶。因此，环空化学封隔器相比树脂更适合作为封隔堵剂，见图2右边玻璃瓶。

2.2  触变性能对比

将触变水泥（水灰比1∶3.5）、环空化学封隔器分别注入实验装置，实验装置为透明可见，内置小管，外套大管，小管与大管之间充满水，观察触变水泥和环空化学封隔器的分布状态。如图3（b）所示，由于触变水泥密度相对较大、触变性能较弱，发生了“重力坍落”现象，不利于堵剂在环空中的均匀充填。而环空化学封隔器预聚体则很好的充填了小管与大管的环形空间（图3a）。以触变性能作指标，环空化学封隔器相比触变水泥更适合作为封隔堵剂。

综合考虑固化及触变特性，初步筛选了环空化学封隔器作为封隔堵剂。

3  封隔堵剂的固化特性分析

以环空化学封隔器作为封隔堵剂，对其做了温度、矿化度、剪切速率、强度方面的实验与分析，以初步判断是否符合渤海油田的使用要求。

3.1  温度对固化的影响

渤海油田注水井的温度一般在60～90 ℃，需要判断在此温度下，环空化学封隔器是否能很好固化，并具备相当的强度。

实验方法：本实验中固化時间的确定采用观察法，将样品于不同温度水浴或烘箱中，温度分别为60、70、80、90、110 ℃，每隔1 h观察固化状态，以确定固化时间;固化样品的强度利用质构仪测试，其原理为定速对样品施加压力，测试其反弹力直至样品破坏、反弹力迅速降低，以此比较固化后的强度。

结果及分析：如图4所示温度在60～110 ℃，2 h以上环空化学封隔器都能固化，同一固化时间，其固化后的强度差别不大，初步判断，环空化学封隔器适合渤海油田的温度条件，且固化时间满足现场操作要求。

3.2  矿化度对固化的影响

渤海油田地层水矿化度一般在6 000～12 000 mg·L^-1，因而对堵剂耐盐型能要求苛刻。为客观评价环空封堵剂封堵体系在不同矿化度条件下的固化性能，使用NaCl和CaCl₂配置了不同浓度的模拟盐水，NaCl质量浓度分别为2%、5%和10%，CaCl₂的质量浓度为0.2%。

为了直观考察不同矿化度条件下堵剂的变化，使用复合防砂网模拟筛管，将环空化学封隔器装入上述装置中，而后将该装置浸泡在一定矿化度的盐水中，待其固化后取出筛网，观察封堵固化效果。

图5为在不同矿化度条件下环空化学封隔器固化后的实物效果图。由图5可以看出，不同矿化度条件下环空化学封隔器的固化状态差别不大，且与筛网形成了较好的黏附效果。实验说明环空化学封隔器具有很好的耐盐性能，能够在高矿化度条件下稳定固化。这是由于堵剂为本体成胶，且其具有较强的剪切变稀、静置增稠性能;当其静置时，其黏度急剧升高，且几乎不具有流动性，因而外部的流体如盐水很难进入堵剂内部，故矿化度的变化对堵剂固化性能无明显影响。

3.3  剪切速率对固化性能的影响

实验方法：分别将环空化学封隔器在1 000 s^-1和7 000 s^-1的剪切条件下剪切30 min，密封后置于70 ℃下待其固化，测试其在不同时间时的弹性模量。

实验结果及分析：如图6所示70 ℃下，在150 min时，1 000 s^-1和7 000 s^-1剪切条件下的环空化学封隔器均开始发生固化。固化强度差别不大，基本保持在30 kPa左右。即剪切不影响其固化时间及固化后的强度。

为进一步探究剪切对环空化学封隔器内部结构的影响，利用扫描电镜观察了两种剪切条件下环空化学封隔器固化后的微观结构，如图7所示。电镜图片显示，当剪切速率分别为1 000和7 000 s^-1时，环空化学封隔器固化后的内部结构几乎不变，说明剪切并未对其结构性能造成影响。这是由于环空化学封隔器为一种特殊的具有强触变性的流体，主要由小分子材料组成，不包含高分子结构，因此剪切并不影响其触变特性及固化特征，堵剂因此体现出了抗剪切性质。

3.4  强度实验

渤海油田注水井的温度一般在60～90 ℃，需要判断在此温度下，环空化学封隔器是否能很好固化，并具备相当的强度。

3.4.1装置与材料

实验材料包括模拟水、环空化学封隔器，其中模拟水由自来水以及质量分数为10%的NaCl和质量分数为0.2%的CaCl₂组成。

实验装置为试压工装和注入装置，注入装置可提供环空化学封隔器的注入动力，实验工装如图8所示。

实验工装包括套管、防砂筛管、注入管、密封头等，1^# 孔、2^# 孔、3^# 孔、4^# 孔、5^# 孔均配有堵頭。套管采用F139.7 mm的套管，防砂筛管采用F73 mm的油管加工，最外层为绕丝结构，见图9。防砂筛管与套管之间环空采用40目（0.45 mm）的陶粒进行充填，环空充填带的长度为1 000 mm，充填带采用模拟盐水进行饱和。

3.4.2  过程与结果

将饱和水的试压工装进行试压，试压至20 MPa，稳压10 min，确定试压工装符合实验要求。然后将试压工装通过管线连接注入装置，注入管线接入1^#孔，试压工装上密封头上的2^# 孔、3^# 孔、4^# 孔、5^#孔打开，启动注入装置，堵剂由1^# 孔进入注入管，由于设置了注入管密封和密封堵，堵剂只能由筛管进入防砂筛管与套管的环形空间，当观察到堵剂分别由2^# 孔、3^# 孔、4^# 孔、5^# 孔流出，则停止注入堵剂。之后，将试压工装静置约12 h，然后进行试压。试压过程及结果如下所述。

连接好试压工装，开电动试压泵进行打压。首先，由环空从左向右打压，试压管线接入2^# 孔，打开4^#、5^# 两孔，关闭1^#、3^# 两孔。打压4 MPa，稳压无泄漏;继续打压至8 MPa，稳压无泄漏;打压至10 MPa，有轻微压降，压降至9.5 MPa平稳，无泄漏;打压至12 MPa，有轻微压降，压降至11 MPa平稳，无泄漏;打压至15 MPa，有轻微压降，压降至14 MPa平稳，无泄漏。然后，试压管线接入3^#孔，打开4^#、5^# 两孔，关闭1^#、2^# 两孔。打压5 MPa，稳压无泄漏;打压至10 MPa，有轻微压降，压降至9 MPa平稳，无泄漏;打压至15 MPa，有轻微压降，压降至13.5 MPa平稳，无泄漏。然后，由环空从右向左打压，打压装置接入试压4^# 孔，打开1^#、2^#、3^#、5^# 孔，在压力达到4 MPa时未发现渗漏，继续打压至5 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，有略微压降;打压10 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，压降至6 MPa，随后无压降;打压12 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，压降至6 MPa，之后无压降;打压15 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，压降至6 MPa，之后无压降;打压装置接入下试5^#孔，打开1^#、2^#、3^#、4^# 孔，打压5 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，有略微压降;打压10 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，压降至6 MPa，稳压;打压15 MPa，2^#、3^# 孔微漏水，压降至6 MPa，稳压。

如图10所示剖开试验工装后，未发现明显的微渗通道，封堵剂与陶粒胶结较为均匀，未发现陶粒散落，两者固结后可用工具分段切开，说明堵剂与陶粒固结较好。另外，由于试压工装设计为可拆除式，而拆除过程发现堵剂、陶粒、套管、筛管之间难以转动拆开，只能通过切割套管拆除，为此分析堵剂、陶粒与管壁能很好地固结在一起。

3.4.3  分析

无论是从试压结果还是试压工装拆解结果看，堵剂与陶粒、管壁固结较好，从左向右或从右向左试压来看，长度为1 m的环空试压最低可达4 MPa。另外，从左向右试压和从右向左试压，出现渗漏的压力并不一致，一是有可能试压工装两端的填砂均匀不一致所导致，也有可能是堵剂在环空的充填不均匀，或者两者都有。此试压实验初步判断了所筛选的堵剂满足现场对堵剂强度的要求。

4  结 论

根据渤海油田防砂段充填带的封隔的需求，依据堵剂固化强度和触变特性，筛选了几种常用的化学堵剂作为封隔堵剂，并通过实验进行了对比分析，初步选择了一种基本性能满足封堵需求的堵剂，并通过4个关键要素对堵剂的性能进行了评价，初步验证其性能可满足渤海油田防砂充填带封隔的需求。

1）对比了3种相对适合充填带封隔的堵剂，通过实验分析，在3种堵剂中，环空封隔器预聚体是更适合渤海油田需求。

2）结合渤海油田的实际情况，通过固化温度、矿化度、剪切速率3种因素初步对筛选出的环空封隔器预聚体进行了评价，其性能满足渤海油田应用条件。

3）通过模拟渤海油田的完井和防砂充填情况，对筛选出的環空封隔器预聚体进行了强度实验，其强度可达到4 MPa·m^-1，符合渤海油田充填带层间封隔的要求。

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